化工原理第十三章-干燥课件

2023/7/28第十三章

干燥

Drying13.1概述13.2湿空气的性质与湿度图13.3干燥器的物料衡算与热量衡算13.4干燥速率与干燥时间13.5干燥器2023/7/28第十三章

干燥

Drying13.1.1去湿及其方法13.1.2干燥过程的分类13.1.3对流干燥的传热传质过程

第一节

概述2023/7/2813.1.1去湿及其方法1、何为去湿？从物料中脱除湿分的过程称为去湿。湿分：不一定是水分！2、去湿方法机械去湿法：挤压（拧衣服、过滤）—含液体较多物理法：浓硫酸吸收,分子筛吸附,膜法脱湿化学法：利用化学反应脱除湿分（CaO）加热去湿法：干燥（向物料供热以汽化其中的湿分的单元操作。

）2023/7/28常压干燥真空干燥连续式间歇式传导干燥（间接加热干燥）对流干燥（直接加热干燥）辐射干燥介电加热干燥按操作压力分按操作方式分按供热方式分13.1.2干燥过程的分类

2023/7/281、传导干燥热能通过传热壁面以传导的方式传给湿物料

被干燥的物料与加热介质不直接接触，属间接干燥

优点：热能利用较多

缺点：与传热壁面接触的物料易局部过热而变质，受热不均匀。2、辐射干燥热能以电磁波的形式由辐射器发射到湿物料表面，被物2023/7/28料吸收转化为热能，而将水分加热汽化。优点：生产能力强，干燥产物均匀缺点：能耗大3、介电加热干燥

将需干燥的物料置于交频电场内，利用高频电场的交变作用将湿物料加热，水分汽化，物料被干燥。优点：干燥时间短，干燥产品均匀而洁净。缺点：费用大。

2023/7/284、对流干燥热能以对流给热的方式由热干燥介质（通常热空气）传给湿物料，使物料中的水分汽化。物料内部的水分以气态或液态形式扩散至物料表面，然后汽化的蒸汽从表面扩散至干燥介质主体，再由介质带走的干燥过程称为对流干燥。

优点：受热均匀，所得产品的含水量均匀。

缺点：热利用率低。2023/7/2813.1.3对流干燥的传热传质过程对流干燥中，传热和传质同时发生1、传热过程

干燥介质Q湿物料表面Q湿物料内部2、传质过程

湿物料内部湿分湿物料表面湿分干燥介质2023/7/28物料QNTtwpwp干燥介质：载热体、载湿体干燥过程：物料的去湿过程介质的降温增湿过程干燥速率：由传热速率和传质速率共同控制2023/7/28

本章主要讨论对流干燥，干燥介质是热空气，除去的湿分是水分。对流干燥是传热、传质同时进行的过程，但传递方向不同，是热、质反向传递过程：传热传质方向推动力气固固气温度差水汽分压差2023/7/28干燥过程进行的必要条件：物料表面水汽压力大于干燥介质中水汽分压；两者差别越大，干燥进行的越快。干燥介质要将汽化的水分及时带走。以维持一定的扩散推动力。若干燥介质为水汽所饱和，则推动力为零，这时干燥操作即停止进行。2023/7/28第十三章

干燥

Drying13.2.1湿空气的性质13.2.2湿度图及其应用

第二节

湿空气的性质和湿度图2023/7/2813.2.1湿空气的性质1、湿含量H（

humidity）单位质量干空气中所含水汽的质量，又称湿含量。对于水蒸气~空气系统：单位：kg水汽·kg-1干空气

2023/7/28一定温度条件下，当湿空气中水汽分压pw等于空气饱和蒸汽压ps时，其湿度称为饱和湿度，用Hs表示。2023/7/282、相对湿度（relativehumidity）

在总压P一定的条件下，湿空气中水蒸气分压pw与同温度下的饱和蒸汽压ps之比。相对湿度代表湿空气的不饱和程度，愈低，表明该空气偏离饱和程度越远，干燥能力越大。=1，湿空气达到饱和，不能作为干燥介质。2023/7/28将代入在总压一定时2023/7/284、湿比热容

常压下，将湿空气1Kg绝干空气及相应水汽的温度升高（或降低）1℃所需要（或放出）的热量，称为湿比热容。在湿空气中，1kg绝干空气体积和相应水汽体积之和，又称湿容积。3、湿比容

2023/7/285、湿空气的焓

湿空气中1kg绝干空气的焓与相应水汽的焓之和。

2023/7/286、干球温度t和湿球温度

1）干球温度用普通温度计测得的湿空气的真实温度2）湿球温度湿球温度计在温度为t，湿度为H的不饱和空气流中，达到平衡或稳定时所显示的温度。2023/7/28t大量的湿空气t,Htw水2023/7/28t大量的湿空气t,H水表面水的分压高N,kH水向空气主体传递Q,蒸发时需要吸热tw自身降温2023/7/28对于空气~水蒸气系统而言

当时，在一定的总压下，已知t、tW能否确定H?由以上分析可知2023/7/287、绝热饱和温度水分向空气中汽化空气降温增湿饱和绝热焓不变2023/7/28一般情况下，绝热增湿过程可看视为等焓过程，即空气释放的显热与水分汽化带回的潜热相等：Has、ras是tas的函数，cH是H的函数2023/7/28是湿空气在绝热、冷却、增湿过程中达到的极限冷却温度。对于空气~水系统，注意：绝热饱和温度于湿球温度的区别和联系！P1912023/7/28湿球温度tw与绝热饱和温度tas的关系：tw：大量空气与少量水接触，空气的t、H不变；tas：大量水与一定量空气接触，空气降温、增湿。tw：传热与传质速率均衡的结果，属于动平衡；tas：由热量衡算与物料衡算导出，属于静平衡。

tw与tas数值上的差异取决于α/kH

与cH两者之间的差别。

空气～水体系，，空气～甲苯体系，，twtas2023/7/288、露点

将不饱和空气等湿冷却到饱和状态时的温度相应的湿度称为饱和湿度一定总压下：

2023/7/28对于水蒸汽~空气系统，干球温度、绝热饱和温度和露点间的关系为：不饱和空气：饱和空气：2023/7/2813.2.2湿度图及其应用

1、H-t图

F=2-1+2=3,总压P一定，则F=2.6条线-等t线等H线等相对湿度线等CH线VH线

tas线

2023/7/282、湿度图的应用1）由测出的参数确定湿空气的状态a）水与空气系统，已知空气的干球温度t和湿球温度tw，确定该空气的状态点A(t,H)。b）水与空气系统中，已知t和td，求原始状态点A(t,H)。c）水与空气系统中，已知t和φ，求原始状态点A的位置2）已知湿空气某两个可确定状态的独立变量，求该湿空气的其他参数和性质

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Drying13.3.1湿物料中含水量13.3.2干燥过程的物料衡算13.3.3热量衡算13.3.4空气出口状态的确定13.3.5干燥器的热效率第三节

干燥器的物料衡算与热量衡算2023/7/2813.3.1湿物料中含水量两种表示方法：一、湿基含水量w[kg水/kg湿物料]2023/7/28二、干基含水量X[kg水/kg干物料]三、两者关系2023/7/2813.3.2干燥过程的物料衡算干燥流程图预热器L,t0,H0L,t1,H1干燥器L,t2,H2湿物料G1,w1,(X1)产品G2,w2,(X2)新鲜空气废气2023/7/28L——绝干空气质量流量，[kg干气/h]；G1、G2——物料进出干燥器总量，[kg物料/h]。一、绝干物料量Gc[kg干物料/h]二、汽化水分量W[kg水/h]水分汽化量＝湿物料中水分减少量＝湿空气中水分增加量2023/7/28三、绝干空气用量L[kg干气/h][kg干气/kg水]

比空气用量：每汽化1kg的水所需干空气的量。（单位空气消耗量）2023/7/28四、湿空气用量、体积1.湿空气用量[kg湿气/kg水][kg湿气/h]2.湿空气体积[kg湿气/kg水][kg湿气/h]2023/7/2813.3.3热量衡算QLI1,L,t1,H1产品G2,w2,(X2),tM2湿物料G1,w1,(X1),tM1I2,L,t2,H2废气I0,L,t0,H0新鲜空气QP预热器QD干燥器2023/7/28QP：预热器内加入热量，[kJ/h]；QD：干燥器内加入热量，[kJ/h]。外加总热量Q＝QP＋QD汽化1kg水所需热量：[kJ/kg水]2023/7/28一、预热器的加热量计算qP若忽略热损失，则[kJ/kg水]二、干燥器的热量衡算输入量（1）湿物料带入热量（焓值）2023/7/28cM：干燥后物料比热，[kJ/(kg湿料∙℃)]；cw：水的比热，[kJ/(kg水∙℃)]。（2）空气带入的焓值[kJ/kg水]（3）干燥器补充加入的热量[kJ/kg水]2023/7/282.输出量（1）干物料带出焓值：（2）废气带出焓值：（3）热损失：Σ输入＝Σ输出物料升温所需热量2023/7/28所需外加总热量q：2023/7/282023/7/2813.3.4空气出口状态的确定一、绝热干燥过程（等焓干燥过程或理想干燥过程）——空气在进、出干燥器的焓值不变。过程分析：2023/7/28令：则有：：外界补充的热量及湿物料中被汽化水分带入的热量；：热损失及湿物料进出干燥器热量之差。2023/7/28等焓过程：等焓过程又可分为两种情况，其一无热损失湿物料不升温干燥器不补充热量湿物料中汽化水分带入的热量很少2023/7/28空气放出的显热完全用于蒸发水分所需的潜热，而水蒸汽又把这部分潜热带回到空气中，所以空气焓值不变。以上两种干燥过程均为等焓干燥过程。若即：湿物料中水分带入的热量及干燥器补充的热量正好与热损失及物料升温所需的热量相抵消，此时，空气的焓值也保持不变。其二2023/7/28二、实际干燥过程1.补充热量大于损失的热量即——在非绝热情况下进行的干燥过程。2.补充热量小于损失的热量即2023/7/283.空气出口状态的确定方法——即确定H2、I2(H2、I2)（1）计算法（2）图解法2023/7/2813.3.5干燥器的热效率一、热效率定义：其中：2023/7/28因此，t2不能过低，一般规定t2比进入干燥器时空气的湿球温度tw高20℃

~50℃。2.3.回收废气中热量4.加强管道保温，减少热损失二、影响热效率的因素1.2023/7/28

【例】在常压干燥器中将某物料从湿基含水量10％干燥至2％，湿物料处理量为300kg/h。干燥介质为温度80℃、相对湿度10％的空气，其用量为900kg/h。试计算水分汽化量及空气离开干燥器时的湿度。2023/7/28解：在T-H图中查得H1＝0.031kg/kg干气物料干基含水量

绝干物料量汽化水分量

又则干燥器空气出口湿度

绝干空气质量2023/7/28【例】在某干燥器中干燥砂糖晶体，处理量为100kg/h，要求将湿基含水量由40％减至5％。干燥介质为干球温度20℃，湿球温度16℃的空气，经预热器加热至80℃后送至干燥器内。空气在干燥器内为等焓变化过程，空气离开干燥器时温度为30℃，总压为101.3kPa。试求：（1）水分汽化量；（2）干燥产品量；（3）湿空气的消耗量；（4）加热器向空气提供的热量。2023/7/28解：（1）水分汽化量

或

（2）干燥产品量2023/7/28（3）由查图，得预热后

出口空气：等焓过程即

得：而

湿空气用量

2023/7/28（4）预热器中的加热量：

2023/7/28【例】在常压干燥器中，将某物料从湿基含水量5％干燥到0.5％。干燥器的生产能力为7200kg干料/h。已知物料进、出口温度分别为25℃、65℃，平均比热为1.8kJ/(kg·℃)。干燥介质为温度20℃、湿度0.007kg／kg干气的空气，经预热器加热至120℃后送入干燥器，出干燥器的温度为80℃。干燥器中不补充热量，且忽略热损失，试计算绝干空气的消耗量及空气离开干燥器时的湿度。2023/7/28解：物料干基含水量

又

即

干燥器中不补充热量，且忽略热损失，则

即

2023/7/28而

将上式代入（2）中，联立（1）、（3）得：2023/7/28第十三章

干燥

Drying13.4.1物料中所含水分性质13.4.2恒定干燥条件下的干燥速度13.4.3恒定干燥条件下恒速阶段干燥时间的计算13.4.4恒定干燥条件下降速阶段干燥时间的计算第四节

干燥速度和干燥时间2023/7/2813.4.1物料中所含水分性质一、物料与水分结合方式附着水分：湿物料的粗糙外表面附着的水分。毛细管水分：多孔性物料的孔隙中所含的水分。溶胀水分：是物料组成的一部分，可透入物料细胞壁内，使物料的体积为之增大。二、平衡水分与自由水分—能否用干燥方法除去1.平衡水分（X*）——不能用干燥方法除去的水分。2023/7/282.自由水分（X－X*）——可用干燥方法除去的水分。物料表面水份产生的蒸汽压力与空气中水蒸汽分压相同时，物料中的含水量为在该空气条件（温度，湿度）下物料的平衡含水量。X*=f（物料种类、空气性质）吸水性弱的小2023/7/282.非结合水分

——水与物料无结合力，pw＝ps。机械结合，结合力较弱，除去容易。结合水分与非结合水分只与物料的性质有关，而与空气的状态无关，这是与平衡水分的主要区别。平衡水分一定是结合水分。三、结合水分与非结合水分—水份去除的难易结合水分

——水与物料有结合力，pw<ps。干燥过程中传质推动力较低，除去较困难。2023/7/282023/7/28【例】在常压25℃下，水分在ZnO与空气间的平衡关系为：相对湿度＝100%，X*＝0.02kg水/kg干料相对湿度＝40%，X*＝0.007kg水/kg干料现ZnO的含水量为0.25kg水/kg干料，令其与25℃，＝40%的空气接触，求物料的自由水分、平衡水分、结合水分和非结合水分。2023/7/28

【例】附图为某物料在25℃时的平衡曲线。如果将含水量为0.35kg水／kg干料的此种物料与Φ＝50％的湿空气接触，试确定该物料平衡水分和自由水分，结合水分和非结合水分的大小。2023/7/28解：Φ＝50％，平衡水分则自由水分Φ＝100％，平衡水分即结合水分则非结合水分2023/7/2813.4.2恒定干燥条件下的干燥速率一、干燥速率定义——单位时间、单位干燥面积汽化水分量。[kg水/(m2∙s)]恒定干燥条件：空气的温度、湿度、流速及物料接触方式不变。2023/7/28二、干燥曲线及干燥速率曲线用于描述物料含水量X、干燥时间θ

及物料表面温度t之间的关系曲线。1.干燥曲线2023/7/282.干燥速率曲线ABC段：恒速干燥阶段

AB段：预热段

BC段：恒速段CDE段：降速干燥阶段C点：临界点

XC：临界含水量E点：平衡点

X*：平衡水分2023/7/28三、恒速干燥阶段前提条件：湿物料表面全部润湿。汽化速率（传质速率）：[kg水/s]传热速率：——恒速干燥速率2023/7/28恒速干燥特点：1.U＝UC＝const.2.物料表面温度为tw3.去除的水分为非结合水分4.影响U的因素：恒速干燥阶段——表面汽化控制阶段只与空气的状态有关，而与物料种类无关。2023/7/28四、降速干燥阶段—内部扩散控制阶段实际汽化表面减小汽化面内移降速干燥阶段特点：1.2.物料表面温度3.除去的水分为非结合、结合水分4.影响U的因素：与物料种类、尺寸、形状有关，与空气状态关系不大。2023/7/28五、临界含水量XC1.吸水性强的物料的XC大于吸水性弱的物料的

XC2.物料层越厚、粒度越细，XC

越大3.恒速干燥UC

越大，XC

越高。XC越大，干燥将会越早进入降速干燥阶段，故除去相同的水分量是，所需的干燥时间越长。故干燥是尽量减小物料层的厚度。2023/7/2813.4.3恒定干燥条件下恒速阶段干燥时间由干燥速率定义式：对于恒速干燥：U＝UC＝const.恒速干燥所需时间2023/7/28UC的来源：

(1)由干燥速率曲线查得求取[w/(m2∙k)]

经验关联式：（1）气体流动方向与物料平行G＝0.7~8.3质量流速 [kg/(m2∙s)]（2）气体流动方向与物料垂直G＝1.1~5.6[kg/(m2·hr)]2023/7/2813.4.4恒定干燥条件下降速阶段干燥时间求U的方法：（1）图解积分法（2）近似计算法总干燥时间：2023/7/28(1)图解积分法当降速段的U~X呈非线性变化时，应采用图解积分法。在X2~

Xc之间取一定数量的X值，从干燥速率曲线上查得对应的U，计算1

/U；作图1/U~X，计算曲线下面阴影部分的面积。XoXcX21/U2023/7/28(2)解析法当降速段的U~X呈线性变化时，可采用解析法。降速段干燥速率曲线可表示为ABCD干燥速率UXUXcX*湿含量XUc⑴湿空气性质（计算及查图）对空气-水系统tw≈tas(等I增湿降温到φ=100%时的温度)小结⑵物料性质及平衡关系物料内水分=平衡水分+自由水分

=结合水分+非结合水分自由水分=非结合水分+部分结合水分⑶物料衡算⑷热量衡算（以1kg水为基准）Δ>0增焓过程Δ=0等焓过程Δ<0降焓过程干燥器热效率

η=qw/q对无补充加热(qd=0)，及绝热干燥过程(理想干燥器)：空气显热=汽化水分潜热⑸干燥时间（恒定条件）复习题1.恒定干燥条件下，恒速干燥阶段属于________________控制阶段；降速干燥阶段属于_______________控制阶段。2.恒定的干燥条件是指空气_____________、____________、_____________都不变的干燥过程。3．当空气的相对湿度为98％时，其干球温度t、湿球温度tw、露点温度td之间的关系为（）A．t=tw=tdB．t>tw>tdC．t<tw<tdD．t>tw=td4.(判断：)在一定